基于超声检测动态波形的焊接接头典型缺陷分析

杨 帅 ， 谢曙光

(河南省锅炉压力容器安全检测研究院 ， 河南 郑州 450000)

0 前言

焊接是现代制造业中最为重要的材料成形和加工技术之一，广泛应用于国内外各个工业部门，锅炉、压力容器、压力管道和各种钢结构均是采用焊接方法制造的，通过焊接加工的钢材占世界钢产量的50%以上[1]。由于焊接环境复杂，且焊接功率、焊接速度等焊接参数调节不当，在特种设备实际焊接过程中往往会出现气孔、夹渣、烧穿等缺陷，若不能及时发现，危害极大[2]。

超声波检测作为五大常规无损检测技术之一，具有灵敏度高、检测速度快、穿透能力强、便于携带等优点，已经是国内外应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术。焊缝缺陷对超声波的反射特性不仅与缺陷的取向、几何形状、种类、性质有关，也与所使用的超声检测特性和显示方式有关[3]。在实际检验中，超声设备、探头型号、显示方式等已定，由于不同缺陷内部介质、结构、粗糙程度不同，致使超声回波的波形、大小不同，依此判断缺陷类型，进而采取监控运行或切管处理方法。

1 超声检测中典型缺陷及回波分析

1.1 气孔

气孔是最典型的孔穴类缺陷，其产生是在焊接过程中熔池高温时吸收了过量的气体，在冷却凝固之前来不及逸出而残留在焊缝金属内形成孔穴。根据其形状、分布，可分为球状气孔、条形气孔、表面气孔和局部密集气孔等。在对某企业的一级减温器进行定期检验中发现，焊缝中存在单个细小气孔，其波形特征如图1所示。

图1 气孔波形

减温器的实际尺寸为Φ219 mm×12 mm，选用9×9K2斜探头，输入工件厚度为12 mm。分别在焊缝两侧扫描，观察一次波波形，发现波宽分别为2、3 mm，增益SL+7 dB、SL+6 dB，波形如图1所示。缺陷波形尖锐，焊缝两侧回波的波形及高度相近，定性为气孔缺陷。这是由于气孔内部介质为气体，声阻抗小，反射回波高，气体表面光滑，界面对超声波有发散作用。超声检测时，单个气孔的波形陡直尖锐，波形独立回波高度低，且无杂波与单峰[4-6]。从不同方向对气孔进行探测时，波形高度无明显变化，探头一旦移出气孔区域，波形即消失。对于气孔缺陷，可要求企业监控运行或者降低运行参数。

1.2 夹渣

夹渣是指残留在焊缝金属中的熔渣，可能是线状的、孤立的、成簇的，是典型的固体夹杂。波形特征如图2所示。

图2 夹渣波形

在实际企业检验中，此缺陷最初由磁粉检测发现的，焊缝缺陷的检测一般包括厚度、磁粉和超声。厚度负责宏观检测，磁粉是表面检测，超声是内部检测，它们是相辅相成的一体。在检验中最先发现焊缝处有一小裂缝，打磨之后虽然消失，但依旧会影响焊缝内部结构。超声检测发现深度为10 mm(管路厚度为15 mm)，位于焊缝左侧，与磁粉发现缺陷位位置相近。一般而言，夹杂物质声阻抗较大，界面反射率较低，故超声检测的回波高度比气孔低；夹杂物表面粗糙，有棱角，部分超声波进入夹杂层形成多次反射，故其回波多层锯齿状。探头转动时，回波波幅变化较小，不同方向对夹渣进行超声探测时，回波波幅变化较大，特征与图2相同。缺陷等级为Ⅲ级，只能做切割处理。

1.3 裂纹

裂纹对焊接接头的影响较大，在焊接过程、焊后热处理及服役期间均可能产生，在特种设备生产、检验过程中，若发现不及时或处理不当，裂纹进一步扩展将产生极其严重的后果，影响生产和人生安全。在对一电站锅炉企业的连接管路进行检验中发现一细小裂缝，其裂纹波形特征如图3所示。

图3 裂纹波形

连接管的实际尺寸为Φ219 mm×12 mm，选用9×9K2探头，输入工件厚度为12 mm，左右扫描后确定最大波峰处，发现波宽分别为4、6 mm，增益SL+9 dB、SL+11 dB。由图3可知，缺陷处显示双峰，波幅较宽，但波峰尖锐，符合裂缝缺陷的波形特征。这是由于裂纹产生后，其缺陷内部为空气，声阻抗小，与钢材差距大，超声波反射率高，故缺陷回波高度大，波峰尖锐。裂纹是平面缺陷，波幅宽，出现多峰现象，探头平移时，波连续出现。但当探头在裂纹的两端进行缓慢移动，回波会迅速产生和急速消失，显示出部分气孔回波特征。实际测量发现缺陷位于焊缝处，判定为Ⅲ级缺陷。为谨慎起见，可利用其他距离-波幅曲线，探头确认，一旦确认Ⅲ级缺陷，需进行切割确认。

1.4 未焊透

未焊透缺陷是焊接后母材钝边金属未熔化，缺陷位于焊缝中部。未焊透是压力管道焊接接头中最常见的一种危险性缺陷，其危害性取决于缺陷的形状、高度和长度[5]。未焊透波形特征如图4所示。

图4 未焊透波形

未焊透缺陷波形独立，随着探头的平移，回波幅度变化不大，但当探头方向与缺陷延伸方向的相对位置发生改变时，回波迅速降低，甚至为零。缺陷内部为空气，声阻抗较小，在缺陷两侧分别探测，回波高度大，波幅基本相同。

1.5 未熔合

焊缝金属与母材之间或焊缝金属与焊缝金属之间未完全熔化结合的现象称为未熔合，细分为侧壁未熔合、层间未熔合和根部未熔合。裂纹波形特征如图5所示。

图5 未熔合波形

同裂纹一样，未熔合缺陷内部为气体，内表面光滑。母材与空气声阻抗差距较大，回波高度大，波形稳定；由于未熔合缺陷两侧形状不同，超声波进行双侧检测时，两侧回波明显不同。未熔合、未焊透并非在生产运行过程中缺陷，而是由于焊接不合理产生的，可谓是先天缺陷，这就要求企业在实际运行过程中加强监控防止意外事故。

2 超声检测中非缺陷回波分析

非缺陷回波是指超声波探伤仪屏幕上并非焊缝中缺陷造成的反射信号。在特种设备检验中，非缺陷回波的误判会增加企业的再检测成本，甚至是停工停产。典型的非缺陷发射回波有沟槽回波、焊角回波等。

2.1 沟槽回波

自动焊或手工焊的多道焊在焊缝表面常形成一道道沟槽，此沟槽产生的回波即称为沟槽回波。自动焊的沟槽深度、大小均匀、规则，易于判断；手动焊的沟槽深度、大小不规则，易与缺陷相混淆，难以判断，无损检测过程中要格外注意。沟槽回波如图6所示。

图6 沟槽回波

沟槽回波的判断方法有两种：在沟槽双侧分别检测，沟槽A侧回波较高，B侧回波较低，甚至没有回波；沟槽回波的反射体来自结构本身，用沾油的手指在沟槽处或焊缝与母材过渡位置轻轻敲击，沟槽回波会上下跳动[6]。

2.2 焊角回波

焊缝一般都有一定的余高，余高与母材的交界处称为焊角，由焊角产生的回波称为焊角回波。其产生原因为超声波发射方向与焊角处轮廓法线方向相同或相近，部分反射声束被超声设备接收，形成回波。近日在对一企业的主给水管路定检时即出现了如此情况，焊角回波如图7所示。

图7 焊角回波

焊缝两侧管路尺寸分别为：Φ320 mm×20 mm，Φ310 mm×18 mm，选用13×13K2探头，分别输入工件厚度为20、18 mm，在焊缝两端分别进行左右扫描，发现从管路Φ310 mm×18 mm检测时并未发现缺陷波，但从管路Φ320 mm×20 mm检测发现数条缺陷波，且缺陷波宽度较宽在10 mm左右，增益较大在SL+11 dB左右，符合伪缺陷波的特征。

在进行焊角回波的判断时，可以用沾油的手指敲击焊缝表面，当敲击到母材与超声的反射点，由于力的作用，部分声束发生折射，反射声压降低，超声接收的声波信号减少，就会出现焊角回波上下跳动的情况。

3 结语

为适应工业生产对检验效率和检测可靠性的要求，超声检测须速度更快、缺陷更直观、描述更精确。实际检验过程中，缺陷波的确认比较复杂，与管路材质、尺寸、焊接方式等均有关系，对焊缝缺陷、非缺陷回波性质进行分析，对实现质量控制、原料节约、工艺改进意义重大，已经受到越来越多人的重视。